מווסת דחיפה למיתוג: יסודות תכנון ויעילות

באלקטרוניקה, רגולטור הוא מכשיר או מנגנון שיכולים לווסת את תפוקת הכוח ללא הרף. ישנם סוגים שונים של רגולטורים הזמינים בתחום אספקת החשמל. אך בעיקר, במקרה של המרת DC ל- DC, ישנם שני סוגים של רגולטורים זמינים: לינארי או מיתוג.

רגולטור ליניארי מסדיר את התפוקה באמצעות טיפת מתח רזיסטיבי, ובשל זה רגולטורים לינארי לספק יעילות נמוכה וכוח לאבד בצורה חומה.

בצד השני מווסת הרגולציה משתמש במשרן, דיודה ומתג הפעלה להעברת אנרגיה ממקורו ליציאה.

ישנם שלושה סוגים של ויסות מיתוג זמינים.

1. ממיר צעד (Boost Regulator)

2. ממיר למטה (רגולטור באק)

3. מהפך (Flyback)

במדריך זה אנו מתארים את מעגל הרגולטור המיתוג המיתוג. כבר תיארנו את תכנון Boost Regulator בהדרכה הקודמת. כאן נדון בהיבטים שונים של ממיר Boost וכיצד לשפר את יעילותו.

יסודות העיצוב של מעגל ממיר Boost

במקרים רבים עלינו להמיר מתח נמוך למתח גבוה יותר בהתאם לדרישות. רגולטור בוסט מגביר את המתח מפוטנציאל נמוך יותר לפוטנציאל גבוה יותר.

בתמונה לעיל, מוצג מעגל רגולטור Boost פשוט שבו משתמשים במשרן, דיודה, קבל ומתג.

מטרת המשרן היא להגביל את קצב ההאטה הנוכחי שזורם דרך מתג ההפעלה. זה יגביל את זרם השיא העודף העומד על ידי התנגדות המתג באופן בלתי נמנע בנפרד.

כמו כן, חנויות משרן האנרגיה, האנרגיה נמדדת ג'אול E = (L * אני ² /2)

נבין כיצד המשרנים מעבירים אנרגיה בתמונות ובגרפים הקרובים.

במקרה של הרגולטורים להגברת מיתוג, ישנם שני שלבים, האחד הוא שלב טעינת המשרן או שלב ההפעלה (המתג סגור למעשה) והשני הוא שלב פריקה או שלב הכיבוי (המתג פתוח).

אם אנו מניחים שהמתג נמצא במצב פתוח זמן רב, ירידת המתח על פני הדיודה היא שלילית והמתח על פני הקבל שווה למתח הכניסה. במצב זה, אם המתג מתקרב הווין מפוחד על פני המשרן. הדיודה מונעת את פריקת הקבל דרך המתג לקרקע.

הזרם דרך המשרן עולה באופן ליניארי עם הזמן. קצב העלייה הנוכחי ליניארי הוא פרופורציונלי למתח הקלט חלקי המשרן di / dt = מתח על פני המשרן / השראות

בגרף העליון המציג את שלב הטעינה של המשרן. ציר ה- x מציין את t (הזמן) ואת ציר ה- Y את I (זרם דרך המשרן). הזרם גדל באופן ליניארי עם הזמן בו המתג סגור או פועל.

כעת, כאשר המתג שוב יורד או הפך פתוח, זרם המשרן זורם דרך הדיודה ומטעין את קבל המוצא. כאשר מתח המוצא עולה, שיפוע הזרם דרך המשרן מתהפך. מתח המוצא עולה עד שמגיעים למתח דרך המשרן = L * (di / dt).

קצב ירידת זרם המשרן עם הזמן הוא ביחס ישר למתח המשרן. גבוה יותר במתח המשרן, מהיר יותר זרם הזרם דרך המשרן.

בגרף שלעיל, זרם המשרן יורד עם הזמן כשהמתג נכבה.

כאשר וסת המיתוג נמצא במצב פעולה יציב, המתח הממוצע של המשרן הוא אפס במהלך כל מחזור המיתוג. במצב זה, הזרם הממוצע דרך המשרן נמצא גם במצב יציב.

אם אנו מניחים שזמן טעינת המשרן הוא טון והמעגל כולל מתח כניסה, אזי יהיה זמן ספציפי או זמן פריקה עבור מתח יציאה.

מכיוון שמתח המשרן הממוצע שווה לאפס במצב יציב, אנו יכולים לבנות את מעגל הגברה באמצעות המונחים הבאים

טון Vin X = טוף x VL VL = Vin x (טון / טוף)

מכיוון שמתח המוצא שווה למתח הכניסה ולמתח המשרן הממוצע (Vout = Vin + VL)

אנחנו יכולים לומר את זה, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

אנו יכולים גם לחשב את ה- Vout באמצעות מחזור חובה.

מחזור חובה (D) = טון / (טון + טוף)

לווסת מיתוג ההעברה ה- Vout יהיה Vin / (1 - D)

PWM ומחזור חובה למעגל ממיר Boost

אם אנו שולטים במחזור החובה, אנו יכולים לשלוט על תפוקת המצב היציב של ממיר הדחיפה. לכן, עבור וריאציה של מחזור חובה, אנו משתמשים במעגל בקרה על פני המתג.

לכן, עבור מעגל ויסות דחיפה בסיסי שלם, אנו זקוקים למעגלים נוספים אשר ישתנו את מחזור החובה ובכך משך הזמן שהמשרן מקבל אנרגיה מהמקור.

בתמונה שלעיל ניתן לראות מגבר שגיאה שחוש את מתח המוצא על פני העומס באמצעות נתיב משוב ושולט במתג. טכניקת הבקרה הנפוצה ביותר כוללת PWM או טכניקת אפנון רוחב הדופק המשמשת לבקרת מחזור החובה של המעגלים.

מעגל הבקרה שולטת כמות הזמן למתג נשארת פתוח או קרוב, תלוי הנוכחי נמשך על ידי העומס. מעגל זה משמש גם להפעלה רציפה במצב יציב. זה ייקח דגימה של מתח המוצא וכדי לחסר אותו ממתח ייחוס וליצור אות שגיאה קטן, ואז אות שגיאה זה יושווה לאות רמפה של מתנד ומפלט המשווה אות PWM יפעל או ישלט על המתג. מעגל חשמלי.

כאשר מתח המוצא משתנה, מתח השגיאה מושפע גם ממנו. בשל שינוי מתח השגיאה, השווה שולט בפלט ה- PWM. ה- PWM השתנה גם למצב כאשר מתח המוצא יוצר אפס שגיאה ועל ידי כך מערכת לולאת הבקרה הסגורה מבצעת את העבודה.

למרבה המזל, ברוב הרגולטורים המודרניים של מיתוג ההחלפה יש את הדבר הזה בתוך חבילת IC. לפיכך תכנון מעגלים פשוט מושג באמצעות וסתות המיתוג המודרניות.

מתח המשוב הפניה מתבצע באמצעות רשת מחלקי נגדים. זהו המעגל הנוסף, הנחוץ יחד עם משרן, דיודות וקבלים.

שפר את היעילות של מעגל ממיר Boost

עכשיו, אם נבדוק לגבי היעילות, זה כמה כוח אנו מספקים בתוך המעגלים וכמה אנו מקבלים בפלט.

(Pout / Pin) * 100%

מכיוון שלא ניתן ליצור ולא להרוס אנרגיה, ניתן להמיר אותה רק, מרבית האנרגיות החשמליות רופפות כוחות שאינם בשימוש המומרים לחום. כמו כן, אין מצב אידיאלי בתחום המעשי, היעילות היא גורם גדול יותר לבחירת ווסתי מתח.

אחד הגורמים העיקריים לאיבוד הספק עבור וסת מיתוג הוא הדיודה. זרם זרם מתח קדימה (Vf xi) הוא הספק שאינו בשימוש שהומר לחום ומפחית את היעילות של מעגל הרגולטור המיתוג. כמו כן, זה העלות הנוספת למעגלים עבור טכניקות ניהול תרמי / חום באמצעות גוף קירור, או מאווררים כדי לקרר את המעגלים מחום התפוגג. לא רק ירידת המתח קדימה, התאוששות הפוכה לדיודות סיליקון מייצרות גם איבוד כוח מיותר והפחתה של היעילות הכוללת.

אחת הדרכים הטובות ביותר להימנע מדיודת התאוששות רגילה היא להשתמש בדיודות שוטקי במקום דיודות בעלות ירידת מתח קדימה נמוכה והתאוששות הפוכה טובה יותר. כאשר יש צורך ביעילות מקסימאלית, ניתן להחליף את הדיודה באמצעות MOSFET. בטכנולוגיה מודרנית, ישנן אפשרויות רבות בסעיף מווסת דחיפה מיתוג, המספקים יעילות של יותר מ -90% בקלות.

כמו כן, קיימת תכונה "מצב דלג" המשמשת במכשירים מודרניים רבים המאפשרת לווסת לדלג על מחזורי מיתוג כשאין צורך לעבור בין עומסים קלים מאוד. זוהי דרך נהדרת לשפר את היעילות במצב עומס קל. במצב דלג, מחזור מיתוג מתחיל רק כאשר מתח המוצא יורד מתחת לסף ויסות.

למרות היותם בעלי יעילות גבוהה יותר, רגולטורים למיתוג רגיל, טכניקת עיצוב נייחת, רכיבים קטנים יותר, מרעישים מווסת ליניארי. ובכל זאת, הם פופולריים מאוד.

דוגמה לתכנון עבור ממיר Boost

יצרנו בעבר מעגל רגולטור דחיפה באמצעות MC34063 שבו פלט 5V נוצר ממתח קלט 3.7V. MC34063 הוא הרגולטור המיתוג ששימש בתצורת הרגולטור להגביר. השתמשנו במשרן, דיודת שוטקי וקבלים.

בתמונה הנ"ל Cout הוא קבל הפלט והשתמשנו גם במשרן ודיודת שוטקי שהם המרכיבים הבסיסיים לווסת מיתוג. יש גם רשת משוב בשימוש. נגדי R1 ו- R2 יוצרים מעגל מחלק מתח הדרוש לשלב PWM והשוואת השגיאה של המשווה. מתח הייחוס של המשווה הוא 1.25 וולט.

אם אנו רואים את הפרויקט בפירוט, אנו יכולים לראות כי יעילות של 70-75% מושגת על ידי מעגל הרגולטור המיתוג של MC34063. ניתן לשפר יעילות נוספת באמצעות טכניקת PCB נכונה וקבלת הליכי ניהול תרמי.